автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Моделирование дефектов и экспериментальная методика применения инфракрасной термографии при испытаниях строительных сооружений

МИНИСТЕРСТВО ОБЩИХ) И ПРОЖССИОНАЛЬНОШ ОБРАЗОВАНИЯ РФ ;; 0 ^ Томский Политехнический Университет

На правах рукописи

ТРОФИМОВ КОНСТАНТИН ДМИТРИЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИН ПРИ ИСПЫТАНИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

05.11.13 - Приборы и методы контроля веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1998

Официальные оппоненты:

1. Воробьев Владимир Александрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой МАДИ, г.Москва

2. Кербель Борис Моисеевич, к.т.н., проректор Северского Технологического Института

Ведущая организация:

Томский Государственный Архитектурно-Строительный Университет

Защита состоится 13 января 1999 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.80.05 при Томском Политехническом Университете по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, 3. С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Томского Политехнического Университета

Диссертация в виде научного доклада разослана 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Винокуров Б.Б.

Актуальность проблемы

Применение инфракрасной (ШС) термографической техники для диагностики строительных объектов известно в течение нескольких десятилетий. Фактически, строительство явилось первой областью гражданского применения ИК аппаратуры, первоначально созданной для военных применений. Прежде всего, страны с холодным климатом, такие как США, Канада, Швеция, Финляндия, Россия и другие, начали использовать ИК термографию для оценки тепловых потерь и диагностики скрытых дефектов в строительных зданиях и сооружениях, прежде всего в ограждающих конструкциях и в перекрытиях крыш, С целью формализовать так называемые базовые процедуры испытаний в указанных странах был разработан ряд национальных стандартов и методических указаний, приведенных в списке литературы [1-И].

В бывшем СССР практические работы проводились с помощью портативных тепловизоров шведской фирмы AGEMA. Infrared Systems, начавшей коммерческую активность на союзном рынке с 70-х годов. Применение отечественных тепловизоров в полевой съемке было ограничено их низкими техническими возможностями. Результаты отечественных исследований в указанной области, проводившихся, в основном, во ВНИИ строительной физики, были описаны в монографии [12]. Данная работа была опубликована в 1984 г. и до сих пор является единственным последовательным изложением основ строительной термографии на русском языке.

В силу известных причин, интенсивность отечественных научных исследований, в том числе и в анализируемой области, существенно снизилась в последние годы. Существуют немногочисленные группы практиков в гг.Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Томске, Новосибирске v некоторых других городах, выполняющих работы по ИК строительно» термографии. В 1987 г. силами специалистов НИИ Мосстроя в Департамент« строительства г.Москвы утверждена методика ИК диагностики в строительстве

и это является одним из немногих достижений в данной области за последние десять лет.

Вместе с тем, спад отечественных исследований пришелся на новый качественный скачок в ИК технологии, что привело на Западе вначале к появлению на рынке безазотных тепловизоров, а, начиная с 1998 г., тепловизоров на мозаичных детекторах, расположенных в фокальной плоскости и работающих при комнатной температуре (модель «Термовижн-570» фирмы FSI, США, слившейся в 1997 г. с фирмой AGEMA Infrared Systems). Появление на рынке малогабаритных, имеющих стандартное автономное питание и не требующих наличия встроенных холодильников тепловизоров кардинально изменило ситуацию с практическим применением тепловидения, которое оставалось достаточно экзотическим методом, по крайней мере, в России. Во-первых, расширились сферы применения тепловизоров в строительстве, так, например, при диагностике труднодоступных мест совместно с работами альпинистов (ранее массогабаритные показатели приборов были недостаточными для реальной работы на высоте, внутри дымовых труб и т.п.). Во-вторых, отпал ряд методических проблем, относившихся к тепловизорам прежних поколений (невозможность резкого наклона, проблемы метрологического обеспечения температурных измерений, проблема учета влияния атмосферы на прохождение излучения вдоль трассы визирования и т.д.). В третьих, последние пять лет пришлись на глобальное внедрение компьютерной техники в России, что позволило на высоком научном уровне проводить базовые исследования и качественно оформлять результаты практических ИК съемок. В четвертых, вопросы теплофизического моделирования скрытых дефектов успешно в настоящее время решаются в тепловом контроле конструкционных материалов, которые отличаются от строительных материалов большими толщинами и медленной динамикой тепловых процессов. Все отмеченные особенности применения тепловидения в строительстве не нашли отражения в монографии Дроздова и Сухарева [12], упоминавшейся выше.

Таким образом, актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена необходимостью пересмотра и дополнения теоретических и методических основ применения ИК термографии в строительстве в условиях смены поколения тепловнзионных приборов и возрастающей компьютеризация как научных исследований, так и практических работ.

В основу диссертации положены результаты работ, выполнявшихся с 198$ г. в ряде городов сибирского региона совместно со специалистами Томскогс Политехнического Университета и частично Института Оптики Атмосферь (г.Томск).

Научная новизна

1. На основе комбинирования подходов, развитых в тепловом неразрушающед контроле н строительной теплофизике, предложены унифицированные одно и двумерные модели дефектов, характерных для ограждающих конструкции зданий и сооружений: коррозия несущей конструкции, локально« увлажнение, оседание утеплителя в межпанельном пространстве, локально« изменение сопротивления теплопередаче, протечка воздуха.

2. Оптимизирована компьютерная программа для численного расчет температурных сигналов в известной двумерной цилиндрической модел! внугреннних дефектов, в результате чего впервые обоснован выбор шаго: пространственной и временной сетки для достижения погрешносп определения температуры в дефектной зоне не более 4% по сравнению аналитическим решением одномерной трехслойной модели. Эмпирически! путем установлено, что имеются определенные комбинации шагов п времени и пространству, которые обеспечивают удовлетворительную дл практики точность на уровне нескольких процентов.

3. Предложена трехшажная методика расчета температурных сигналов местах сквозных воздушных протечек, на основе которой разработан]

рекомендации по расшифровке тепловизионных изображений в зависимости от давления наружного и внутреннего воздуха, а также высоты здания.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

1. Выполнен цикл практических работ по инфракрасной съемке зданий в гт.Северске и Томске, на основании чего разработана и утверждена «Методика тепловизионной диагностики ограждающих конструкций строительных зданий и сооружений». Экономический эффект от внедрения тепловизионного метода в г.Северске оценен в размере 440 тысяч рублей за период с 1990 по 1998 гг.

2. Разработана программа внедрения тепловизионного метода для строительной диагностики в закрытых территориальных образованиях (ЗАТО) и организован соответствующий семинар (г.Северск, 1997).

Апробация работы

Материалы настоящей работы опубликованы в 1-м авторском свидетельстве и в 7-мя печатных работах, в том числе, за рубежом, а также докладывались на 4-х международных и национальных конференциях (см. прилагаемый список).

Глава 1. Моделирование дефектов строительных конструкций и расчет температурного сигнала в месте дефекта

1.1. Общие сведения об энергопотреблении в зданиях

На Рис. 1.1. показан таловой жилой дом с указанием критических точек аспекте энергопотребления. В качестве количественного примера рассмотри! энергопотерн из бездефектного жилого особняка площадью 125 кв.м. Расчел показывают, что общие энергопотери в климате южной Сибири могу составлять до 26000 кВт-час/год, из них 16500 кВт-час/год приходится н теплопередачу теплопроводностью, а 9500 кВт-час/год составляют потери пр: вентилировании. В свою очередь, потери теплопередачей складываются и потерей через крышу (25%), фундамент (18%) и стены (57%). Наличи строительных или эксплуатационных дефектов увеличивает теплопотери * следовательно, расходы на отопление. При этом не столь велика стоимосг необходимой дополнительной энергии, сколько существенны проявлени дискомфорта жильцов.

Настоящая работа посвящена анализу дефектов ограждающих конструк ций как наиболее удачным объекту наземной инфракрасной (ИК) съемки. Ана логичным образом можно исследовать теплопотери через фундамент и чердак ные перекрытия. Инспекцию крыш следует проводить с борга самолета ил вертолета. В отличие от наземной съемки, в последнем случае, как правиле речь идет об интегральных теплопотерях, поскольку анализ отдельных дефек тов в силу низкого пространственного разрешения большинства коммерчески тепловизоров затруднен.

1.2. Дефекты строительных конструкций, влияющие на теплопотери из зданий

В настоящее время опубликовано большое число учебников, монографий и других работ, в которых описаны как явные и скрытые дефекты ограждающих конструкций, так и методы расчета температурных полей. Данные работы характеризуются следующими особенностями, которые делают их либо малопригодными, либо неприменимыми в принципе при разработке метода тепловизионной диагностики:

• Численные методы расчета температурных полей, которые позволяют решать задачи любой сложности, применялись в строительстве на достаточно примитивном уровне (расчеты с помощью микрокалькуляторов, см. работу [12]), в особенности, если необходимо

анализировать эффекты растекания (диффузии) тепла вокруг дефектов конечных размеров. Более того, имеющиеся теплофизические расчеты в строительстве, в том числе и оформленные в виде СНнПов, относятся, как правило, к стационарным температурным полям; переходные процессы, в особенности их влияние на выявляемость дефектов, проанализированы недостаточно.

• Классические аналитические решения, содержащиеся в известных монографиях Карслоу и Егера, а также Лыкова, либо неприменимы для расчета теплопередачи в твердых телах с внутренними дефектами конечных размеров, либо их применение требует ряда упрощений, например, введения понятия одномерного протяженного дефекта, что снижает практическую ценность аналитических методов.

• Наконец, известные численные программы решения задач тепловогс контроля, разработанные В.П.Вавготовыи с соавторами, ориентированы на испытания композиционных материалов, использующихся е авиакосмической технике. Их применимость в строительстве неясна. Кроме того, в данных программах отсутствует анализ точности численных решений в дефектных областях, что делает неясными границы их применения.

В настоящей работе анализируются следующие дефект ограждающи> конструкций (согласно терминологии, принятой в строительстве): 1) дефектна; зачеканка швов с наружной стороны, отслоение пленки мастики от бетонно* поверхности, недостаточное обжатие термита и трещины в растворе и мастике дефекты оконных блоков и проемов: некачественное уплотнение стен замазкой сквозные щели в соединениях нижних элементов коробок, прерывистосп мастики в устье стыка защелки оконного блока; 2) мостики тепла и холода ухудшение сопротивления теплопередаче (отсутствие теплоизоляции аномальная увлажненность, некачественная кирпичная кладка, некорректны« архитектурные и строительные решения и т.п.); 3) дефектные панел»

ограждающих конструкций (нарушения толщины и расстановки утеплителя, адсорбция влаги в утеплителе, завышение объемного веса керамзятобегона, оседание утеплителя, скол края панели); 4) отслоение штукатурки, облицовки и других покрытий.

При моделировании вышеуказанные дефекты могут быть классифицированы согласно их влиянию на нестационарные температурные поля (Рис. 1,2):

• Локальное изменение теплового сопротивления за счет: 1) уноса слоя наружного или внутреннего материала; 2) проседания утеплителя и появления воздушных (газовых) полостей в сплошных стенах; 3) локального внутреннего или наружного увлажнения конструкционных материалов (кирпича, бетона, утеплителя и т.п.

• Протечки воздуха, которые проявляются как в натекании воздуха в здание при пониженном давлении внутри здания, так и в утечках воздуха го зданий при пониженном внешнем давлении.

Рис. 1.2. Схематическое изображение дефектов в ограждающих конструкциях, аначизируемых в настоящей работе

и

Для всех указанных видов дефектов в работе произведена оценка ожидаемых температурных сигналов в месте их нахождения. При этом предварительно проанализирована точность двумерной численной модели. Теоретические значения проверены экспериментально как результат практического внедрения метода ПК термографии.

1.3. Анализ точности двумерной цилиндрической модели

Ниже приведена известная двумерная цилиндрическая модель теплопередачи в многослойном (трехслойном диске с концентрическим дискообразным дефектом см. Рис.1.3). Физический смысл уравнений, описывающих данную модель, хорошо известен.

■ 1

а1 дт дгг г дг дг1 / =1 -г 3;0<г <й;0<г<Цт>0;

Т({г,г,т) = 0;

(1.2)

о,г)

дг

К, Кх

(1.3)

<?7;(г=£,г) дг

Кх

(1.4)

= г) дг

= 0;

(1.5)

(1.6)

Т,(г,т) = ГДг.т).

Здесь:

• (1.1)-классическое параболическое уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах;

• (1,2)-начальное условие;

• (1 .Заграничное условие на нагреваемой поверхности;

• (1,4)-граничное условие па задней поверхности;

• (1.5)-адиабатическое граничное условие на боковых торцах;

• (1,6)-граничные условия на границах дефектов и основного материала.

О :

или

Г

Рис. ¡.3. Двумерная модель теплового контроля

Использование данной модели и компьютерная программа для ее реализации были описаны в кандидатской диссертации Куртенкова [13].

В порядке уточнения возможностей применения указанной модели Рис. 1.3 мы провели анализ точности численного расчета температуры в дефектной зоне с использованием программы «ТермоКальк» Томского Политехнического Института (погрешность решения в бездефектной области гарантирована разработчиками программы на уровне не хуже 1%). Решения для различных материалов и способов теплового возбуждения, полученные с помощью данной программы, сравнивались с данными аналитического решения для соответствующей одномерной трехслойной задачи (использована программа «Мультилэнер» Томского Политехнического Университета, алгоритм предложен А.И.Ивановым). Результаты анализа оформлены в виде Табл. 1.1, которая содержит рекомендуемые параметры пространственной сетки и величины временного шага для материалов различного типа и толщины при импульсном и длительном тепловом возбуждении (в скобках приведена погрешность расчета по каждому варианту в процентах). Вопреки часто встречающемуся мнению, мы обнаружили, что бесконечное уменьшение временного шага не улучшает точности численных расчетов. Фактически, мы установили эмпирическим путем, что имеются определенные комбинации шагов по времени и пространству, которые обеспечивают удовлетворительную для практики точность на уровне нескольких процентов.

Все последующие численные результаты получены нами с учетом рекомендаций Табл. 1.1.

Д е у«» * а я ■ ■ Ь»ЛлГ»

Ш 1

ш

Фиктивные

слоя:

К г —00

К г О

кг

к т

Ф итияые

ело*-.

о /

Идентичный материал

Ре вр*

> 1171)111 С

сдои: воздух

Корроэня

Фяктвжие сяок:

И ДСЖТИЧЯ и * м.тери.д Зоядух

Рис. 1.4. Моделирование поверхностных дефектов в модели Рис. 1.3

1.4. Локальное изменение теплового сопротивления за счет уноса материала

Моделирование данной ситуации непосредственно в программе «ТермоКальк» невозможно, поскольку программа воспринимает только внутренние дефекты, не достигающие поверхности. Нами предложен ряд искусственных приемов, позволяющих моделировать поверхностные дефекты за счет введение фиктивных слоев материалов с искусственно заданными свойствами (см. Рис.1.4). В Табл. 1.2 приведены значения температурных сигналов, вызванных зонами локального выкрашивания кирпича диаметром 5 см в стене здания в различные моменты времени при периодическом изменении температуры окружающей среды (максимальная плотность мощности солнечной иррадиации принята 1000 Вт/м2, что является максимальной

величиной для районов Сибири в солнечные дни). Гармоническая функцго нагрева выбрана таким образом, что максимальная плотность мощносп нагрева имеет место при 12 ч, т. е. в полдень.

Аналогично тому, как это отмечалось исследователями I экспериментальных исследованиях, например, по обнаружении противопехотных мин в грунте, в течение суток место дефекта становитс? попеременно то теплее, то холоднее окружающей кирпичной стены. При этш достигаемые величины температурных сигналов доступны для регистрами* существующей тегоговизионной аппаратурой. В Табл. 1.2 приведены первьк положительные максимумы сигнала над дефектом.

Данная методика позволяет предсказать сигнал от уноса материал; (коррозии) в ограждающей конструкции любой толщины из любого материала.

1.5. Локальный внутренний дефект в виде газовой (воздушной) полости

На практике такая ситуация встречается в случае эксплуатации стеновьп панелей в течение продолжительного времени. В панелях возможно оседашк утеплителя, что вызывает локальное изменение теплового сопротивления. Е Табл.1.3 пример соответствующих расчетов приведен для случая кирпично! стены толщиной 0.6 м (случай Табл.1.1).

Таблица 1.;

Рекомендуемые параметры пространственно-временной сетки при решении задач теплового контроля с помощью программы ТЬегтоСа1с™ (глубина дефекта 1=10%Ь; толщина дефекта й=10%Ь, свойства

материалов:

А1-Я = 210 \Vlm-K, а = 8.610_5т2л;сталь-а = 7.3-КГ* т2/* ;

углепластик-Л =0.64 W/от-X, <» = 5.2-!(Г7 m2h\беТОН.' X = \.iWlm K, а = 1.ЬЛТ1 m2h\

воздушный дефект - л =0.07W/m-K* £i — 5.8• 10 т h; коэффициенты теплоотдачи на обеих поверхностях а = ю wim2-к\ погрешность в скобках приведена по сравнению с аналитическим решением по программе

Multilayer™)

Толщина материала, мм Условия нагрева Рекомендуемые параметры сетки (верхняя строка-сетка согласно модели Рис.3, нижняя строка-шаг по времени, в; в скобка х-погрсшностъ,%)

AI Сталь Бетон Углепластик

1 vh =0.01 с 0 = !О5ВТ/М2 100x200 0.001 (1.6) 50x300 0.01 (3) 50x200 0.01 (2.5) 50x200 0.005 (2.6)

гд =100 с б = 104 Вт/м2 50x100 0.01 (0.4) 50x200 0.01 (0.5) 50x200 0.05 (3.1) 50x200 0.05 (3.6)

5 гд =0.01 с £? = 105Вт/м2 200x400 0.01 (0.3) 50x400 0.01 (2.5) 200x400 0.01 (5) 200x400 0.01 (3)

Tf, = 100 с е=ю4 вт/м2 100x100 1 (1.6) 100x200 1 (3) 100x200 1 (3) 100x100 1 (0.8)

50 Tf, ~0.0i с Q=10s Вт/м2 100x800 0.01 (5) 50x2000* 0.01 (10) 100x2000* 0.01 (10) 100x2000* 0.01 (9)

Tf, =100 с G = 104 Вт/м2 50x800 1 (1.5) 50x300 5 (2) 50x300 5 (2.5) 50x800 5 (1.5)

500 Tf, = 100 с е-104 Вт/м2 50x200 50 (0-3)

"Эти ситуации требуют очень малых шагов по времени

**Эти ситуации не имеют практического значения

Таблица 1.2

Обнаружение уноса материала на внутренней стороне кирпичной кладки толщиной 0,6 м в динамическом режиме при одностороннем доступе

Радиус дефекта, см Унос материал а» см Максимальный температурный сигнал над дефектом для максимальной мощности нагрева 1 кВт/м2, "С Сдвиг появления максимального сигнала относительно начала гармонического нагрева, ч

5 59 15.6 10,5

5 55 4.5 12,7

5 40 1.0 21,5

Таблица 1.2

Обнаружение воздушных полостей в кирпичной кладке толщиной 0,6 м в динамическом режиме при одностороннем доступе

Радиус дефекта, см Глубина залегания дефекта, см Толщина дефекта, см Максимальный температурный сигнал над дефектом для максимальной мощности нагрева 1 кВт/м2, °С Сдвиг появления максимального сигнала относительно начала гармонического нагрева, ч

1 I 1 2,8 0,5

1 5 1 0,19 2,8

1 10 1 0,036 7,7

1 5 5 0,32 3,3

5 1 1 13,0 0,67

5 5 1 1,9 3,3

5 10 1 0,43 8,0

5 5 5 3,8 3,8

Очевидно, что внутренние воздушные полости могут в целом изменял тепловое сопротивление так же, как и унос материала, при этом наибольппн

вклад в амплитуду сигнала над дефектом вносит толщина стенки над дефектом (справедливости ради следует отметить, что в принятой модели не учтена конвекция, которая может развиться на внутренней поверхности в случае дефектов, выходящих на поверхность.

1.6. Оценка температурных сигналов в местах протечек воздуха

В строительной теплофизике достаточно хорошо изучено интегральное воздухопроницание строительных конструкций, которое основано на использовании коэффициента воздухопроницаемости материалов г [кг/м.ч.(кгс/м2)]. В практике термографии необходимо иметь практические формулы для оценки объема протечки и возникающего при этом локальном изменении температуры. Данные формулы получены нами комбинированием эмпирических зависимостей строительной теплофизики путем их соответствующей трактовки в терминах теплового неразрушающего контроля.

Объем протечки

При ламинарном течении количество воздуха Я7, проникающего через 1 м2 материала в течение 1 ч, равно:

где Ар-разность давлений между внутренними и наружными помещениями; /коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/м.ч.(кгс/м2); 5 -толщина слоя материала, м. При ЙК термографировании перепад давлений обусловлен тепловым и ветровым напорами и может быть оценен по следующей известной формуле:

Ар = Ь-(ги -Гв) + у17п ¡4, (1.8)

где Л-высота точки от нейтральной зоны, м; -объемный вес наружного и внутреннего воздуха; Г-скорость ветра; #-ускорение свободного падения. В одноэтажных зданиях нейтральная точка, то есть точка, где тепловой перепада давления равен нулю (воздух натекает снизу здания и вытекает вверху), находится примерно на середине высоты зданиях. В многоэтажных зданиям положение нейтральной точки принимают на уровне 0.7 полной высоты.

На Рис 1.5. показан график зависимости (1.8) для изменения высоты ^ от 1 до 6 м (отсчет от нейтральной точки) """ и скорости от 1 до 10 м/с. Очевидно, что ю! наибольший вклад в перепад давления вносит ветер. В делом, нами определено, что для некачественных швов в кирпичных стенах с коэффициентом воздухопроницаемости /=0.25-0.5

протечки воздуха могут достигать нескольких килограмм с квадратного метра за час. Формула (1.8 справедлива для одноэтажных зданий, ангаров, складов и т.п. Для многоэтажных зданий в строительной физике предложено уточненное выражение для теплового напора, однако, как показано нами, его вклад существенно ниже, чем вклад ветрового напора.

Рис. 1.5 Изменение перепада давления между внутренними помещениями и наружным воздухом в зависимости от высоты точки наблюдения и скорости ветра

Температурный сигнал

Расчет температурного сигнала в месте протечки воздуха мы предлагаем производить в виде трехшажной процедуры: 1) определяется воздухопроницаемость в месте дефекта и в соседней зоне; 2) определяют соответствующие коэффициенты теплопередачи, которые должны быть больше в месте протечки; 3) с помощью изложенной выше модели дефекта рассчитывают температурный сигнал в месте дефекта (в случае дефектов большого размера для оценочных расчетов можно использовать модель стационарной теплопередачи, не рассмотренную в данной работе).

Пункты 1 и 3 процедуры ясны из вышеизложенного. Сопротивление теплопередаче в месте протечки по пункту 3 мы рекомендуем определять по модифицированной формуле Ф.В.Ушкова:

,сШ0

п* _

сШ?о "Р11 инфильтрации воздуха в здание, и (1.9)

с)У ■ в1

ест-х

при эксфильтрации воздуха из здания наружу. (1.10)

Здесь: с= 1 кДж/кг.К - удельная теплоемкость воздуха; /?о -сопротивление теплопередаче всей конструкции при отсутствии инфильтрации воздуха.

Пример. Сопротивление теплопередаче кирпичной стены толщиной 0.6 м в отсутствие протечек составляет 1.2 м2К/Вт. При эксфильтрации воздуха объем протечки при скорости ветра 5 м/с на высоте 3 м составит согласно формулам (1.7, 1.8) 1.7 кг/м2.ч Согласно (1.10), наличие такой протечки уменьшит сопротивление теплопередаче до величины 0.13 м2К/Вт, то есть уменьшится в 9.2 раза по сравнению с бездефектной ситуацией. Это

эквивалентно увеличению интегральной теплопроводности стены до 4.6 Вт/м.К. Моделируя место протечки дискообразным дефектом в двумерной цилиндрической модели, получаем, что максимальное изменение температуры в режиме гармонического нагрева стены составит в месте утечки 3.4°С. Таким образом, сравнительное моделирование сигнала от внутренней неоднородности и протечки показывает, то протечка создает существенно большие аномалии, что подтверждено натурным применением метода (см. Главу 3).

1.7. Выводы по Главе 1

• Предложены «тепловые» модели типичных дефектов строительных зданий и сооружений: локальное изменение сопротивления теплопередаче, унос материала (коррозия стены), увлажнение, протечки воздуха. Для каждого вида дефекта рассчитаны ожидаемые величины температурных сигналов.

• Для расчета температурных сигналов в местах несквозных дефектов рекомендовано использовать двумерную цилиндрическую модель, ранее предложенную в Томском Политехническом Университете. Впервые выполнена оптимизация пространственно-временной сетки в вышеуказанной модели, что позволило гарантировать требуемую точность определения температуры в дефектной зоне по сравнению с многослойным аналитическим решением.

• Предложена трехшажная методика расчета температурных сигналов в местах сквозных воздушных протечек, на основе которой разработаны рекомендации по расшифровке тепловизионных изображений в зависимости от давления наружного и внутреннего воздуха, а также высоты здания.

Глава 2. Методические аспекты ИК термографирования зданий

2.1. Общие сведения о тепловизиокной инспекции в строительстве

Тепловизионный осмотр может производиться как внутри, так и снаружи помещений. Наружный осмотр позволяет оцешггь общие теготопотери сооружения (эффективность архитектурных решений), а также обнаружить значительные дефекты строительства и в ряде случаев измерить сопротивление теплопередаче. Внутренний осмотр является более детальным и предназначен для обнаружения малых и больших строительных дефектов и анализа теплового режима отдельных помещений.

Размеры зоны контроля определяются углом поля зрения тепловизора и расстоянием до объекта съемки. В зависимости от задачи, размеры зоны контроля могут составлять от 1 до 100 м.

Расстояние до объекта контроля может изменяться от 0,6 до 100 м (в зависимости от типа применяемой аппаратуры, вида и размеров контролируемого объекта и условий съемки).

Погрешность измерения температуры по абсолютно черному телу не более ± 1-2% от верхнего значения шкалы или ± 1-2°С (паспортное значение для тепловизоров и пирометров). При использовании метода сличения температурная чувствительность аппаратуры может составлять не более ±0.2°С.

Методика определения сопротивления теплопередаче с помощью тепловизионных измерений до сих пор не отработана в силу ряда принципиальных трудностей. Согласно предварительной методике, созданной в НИИ Интроскопии Томского Политехнического Университета (работы В.П.Вавилова и И.А.Аношкина), основная относительная погрешность измерения сопротивления теплопередаче может быть не более ±30% (при

использовании методики, рекомендуемой СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника»).

Вид представления результатов: черно-белое и/или цветное изображение на мотгшре компьютера или в виде твердой копии с возможностью вывода значений в отдельных точках.

В строительной термографии могут применяться как коротковолновые (рабочий диапазон длин волн 2,0...5,5 мкм), так и длинноволновые (рабочий диапазон длин волн 8... 14 мкм) модели пирометров н тепловизоров.

Разработанная нами методика основана на опыте эксплуатации тепловизоров н пирометров фирмы FSI - AGEMA Infrared Systems.

Выявляемые дефекты:

• места протечек воздуха и воды (дефектная зачеканка швов с наружной стороны, отслоение пленки мастики от бетонной поверхности, недостаточное обжатие термита и трещины в растворе и мастике, дефекта оконных блоков и проемов: некачественное уплотнение стен замазкой, сквозные щели в соединениях нижних элементов коробок, прерывистость мастики в устье стыка защелки оконного блока);

» мостки тепла и холода; ухудшение сопротивления теплопередаче (отсутствие теплоизоляции, аномальная увлажненность, некачественная кирпичная кладка, некорректные архитектурные и строительные решения и т.п.);

• дефектные панели ограждающих конструкций (нарушения толщины и расстановки утеплителя, адсорбция влаги в утеплителе, завышение объемного весакерамзитобетона, оседание утеплителя, скол края панели);

• отслоение штукатурки, облицовки и других покрытий.

2.2. Условия измерений

Требования к объекту исследований

Измерения производят снаружи и/или в помещении согласно стандартным методикам работы с тепловизором и вспомогательными устройствами, содержащимся в технических описаниях на соответствующие приборы. Температурный напор в контролируемом строительном сооружении, измеряемый как разность внутренней и внешней температур, должен быть не менее 10°С в течение последних 24 часов (требование международного стандарта ISO 6781-83 "Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод"), что, как правило, имеет место в течение отопительного сезона. Во время съемки изменение температурного напора не должно превышать ±30% от действительной начальной величины; температура воздуха внутри помещения не должна изменяться более чем на + 2 "С, а ограждающие конструкции не должны подвергаться воздействию солнечной радиации в течение предшествующих 12 часов (требования международного стандарта ISO 6781-83 "Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод").

При обнаружении скрытых строительных дефектов знание коэффициента излучения объекта является желательным, но не обязательным, особенно в тех случаях, когда дефекты обнаруживают на однородном излучательном фоне (кирпичная стена, панель, оштукатуренные стены и т.п.). При этом различия в излучателыгах свойствах объектов диагностики могут служить дополнительными признаками их идентификации на термограмме.

При оценке теплопотерь и определении сопротивления теплопередаче следует вводить поправку на коэффициент излучения объекта. Идентификацию объектов на термограмме рекомендуется производить путем сравнения термограмм с видимым изображением той же зоны осмотра. Видимое изображение получают с помощью фотоаппарата, электронного фотоаппарата

или видеокамеры. В первом случае сравнение инфракрасного и видимого изображения производят визуально, в двух других случаях рекомендуется ввести изображение в персональный компьютер с последующим получением твердой копии (с видеокамерой необходимо применять устройства ввода телевизионного изображения в компьютер типа «фрейм-граббера»).

Метеоусловия при тепловизионной съемке

На результаты тепловизионной съемки оказывает влияние географическое расположение ограждающих конструкций относительно частей света.

Тегаговизионную съемку не производят в дождь, сильный снегопад, а также при наличии снега, измороси и влаги на контролируемых поверхностях. Измерения в туман возможны, однако на больших расстояниях может иметь место существенное искажение истинных значений температуры.

Прямое и рассеянное солнечное излучение, особенно в весенне-летний период, может нагревать экспонированные части ограждающих конструкций и создавать области аномальной температуры, которые следует отличать от температурных распределений, обусловленных теплопередачей через ограждающие конструкции. Эффект солнечного нагрева особенно существен при тепловизионной диагностике крыш. Кроме того, на гладких (глянцевых) поверхностях могут возникать солнечные блики, которые на термограмме выглядят как зоны повышенной температуры. В большинстве случае наличие бликов легко устанавливают путем перемещения тепловизора: изображение блика будет перемещаться, тогда как изображение аномально нагретой зоны останется на месте. В целом, тепловизионную съемку следует проводить в предрассветные или ночные часы, когда тепловое влияние окружающей среды минимально. В дневное время наилучшие результаты достигаются при пасмурном небе. В исключительных случаях (зимой и при сравнении температур однотипных зон) возможны измерения температурных перепадов при прямой солнечной засветке. При этом абсолвэтные значения температуры

могут существенно отклоняться от истинных, и полезную информацию будет нести разность температур однотипных зон (при отсутствии их прямого нагрева излучением солнца).

Сильный ветер способен существенно увеличивать теплоотдачу с поверхностей и изменять температурные значения. Рекомендуется проводить тепловизионную съемку при скорости ветра не более 5-7 м/с. При необходимости учитывать изменение коэффициента теплоотдачи, например, при определении сопротивления теплопередаче, следует использовать соответствующие формулы, рекомендованные теорией теплопередачи.

При измерении теплопотерь и сопротивления теплопередаче следует принимать во внимание суточный ход температуры окружающего воздуха. В силу различной теплоинерционности отдельных элементов ограждающих конструкций, соотношение измеренных температурных значений в любой момент времени могут не соответствовать истинному соотношению теплозащитных свойств данных элементов. Оценку отклонения режима теплопередачи от стационарного (теплоинерционности) следует проводить согласно ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций". Метод тепловизионного измерения сопротивления теплопередаче рекомендуется использовать в лабораторных условиях путем размещения исследуемого объекта (панели, блока) в стенке климатической камеры. Методика измерения сопротивления теплопередаче предложена в Томском Политехническом Университете В.П.Вавиловым и И. А. Аношкиным и здесь не рассматривается.

Микрометеусловия при тепловизионной съемке

Под мжрометеусловиями понимают условия, создающиеся вследствие специфического расположения в данной местности объекта контроля и окружающих объектов. Так, например, расположение строительного сооружения в низине создает эффект "холодного бассейна" и может приводить к появлению дополнительного конденсата на поверхности. Наличие деревьев и

кустарников, соседних зданий и т.п. может влиять на солнечное облучение и порывы ветра. Высокотемпературные печи, калориферы внутри помещений могут вызывать как дополнительный нагрев объекта контроля, так и отраженную засветку.

Расстояние до объекта контроля

С увеличением расстояния до объекта контроля возрастает поле обзора, ухудшается детальность осмотра и искажаются значения истинной температуры. Последний эффект несуществен при расстояниях менее 50 м, на которых обычно проводят съемку. При больших расстояниях следует применять соответствующие поправочные формулы, учитывающие поглощение излучения в атмосфере.

В зависимости от расстояния до объекта контроля и размеров зоны контроля в тепловизорах следует применять объективы с различным углом зрения. Например, тепловизор с объективом 20° х20° на расстоянии 100 м будет визировать зону размером 3,5-(100/10) = 35 м.

Условия внутри помещения

При прочих равных условиях один и тот же строительный дефект (утечка или натекание воздуха, "тепловой мостик"), как правило, лучше обнаруживается при осмотре внутри помещения. Основными мешающими факторами при таком осмотре являются: 1) наличие фенов и нагревателей любого типа; 2) экранировка зон контроля мебелью, коврами и т.п.; 3) отслоение обоев, штукатурки и т.п.; 4) неравномерная окраска зоны контроля.

Радиационное влияние нагревателей можно устранить их экранировкой теплонепроницаемыми предметами (например, используя

полиэтилентерефталатную металлизированную пленку типа ПЭТФ-С или ПЭТФ-Н согласно ГОСТ 26629-85 "Метод тепловгоионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций") или правильным выбором зоны и ракурса съемки. Если возможно, рекомендуется выключить радиаторы и

калориферы за 12 часов, а лампы накаливания - незадолго до съемки. Минимально допустимое приближение оператора-термографиста к обследуемой поверхности составляет I м, электрических ламп накаливания - 2 м (требование ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизиониого контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций"). При термографированни оконных стекол может возникать эффект отражения близстоящих людей в стекле; при этом оператор видит слабое изображение людей на термограмме. Еще более сильное влияние оказывает отраженное солнечное излучение. В целом, термографирование полупрозрачных объектов, таких как диэлектрические пленки, оконные стекла и т.п. требуют использования специальных методических приемов, которые должны разделять эффекта теплопередачи от чисто оптических эффектов. Предметы, экранирующие стены и стыки, целесообразно удалить. Расслоения между декоративными покрытиями я штукатуркой, а также между основной стеной и штукатуркой могут сами по себе расцениваться как дефекты. Влияние неоднородного распределения коэффициента излучения по зоне контроля можно учесть путем визуального осмотра, а также введением соответствующих поправок с панели тепловизора. Не рекомендуется проводить измерение температуры поверхностей с коэффициентом излучения ниже чем 0.7 (ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизиониого контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций"). Влияние величины коэффициента излучения велико при визировании металлических, в особенности, блестящих, поверхностей. Большинство строительных материалов, а также металлы, покрытые слоем ржавчины, грязи и пыли, обладают достаточно высоким значением коэффициента излучения для выполнения измерений с требуемой точностью (±2°С). Если значение коэффициента излучения неизвестно с требуемой точностью, то его влияние на измеренные значения температуры можно оценить путем изменения значения коэффициента излучения, вводимого с пульта управления тепловизором, при одновременном визировании одного и того же участка объекта контроля. Диапазон отсчетов температуры,

полученный с помощью тепловизора, будет соответствовать диапазону изменения коэффициента излучения. Следует помнить, что данная оценка зависит от абсолютной температуры объекта, поэтому ее следует производить при рабочей температуре объекта.

2.3. Требования к погрешности измерений

Погрешности визуального обнаружении скрытых дефектов оператором в рамках настоящей работы не регламентированы, поскольку рассмотрение вопросов статистического обоснования достоверности термографического контроля не входило в задачу настоящих исследований. Рекомендуется идентифицировать дефекта, создающие температурные сигналы амплитудой не менее 0,5°С или изменяющие сопротивление теплопередаче не менее ±15%. Использование паспортного температурного разрешения тепловизора (до О, ГС) для идентификации информативных температурных сигналов не рекомендуется ввиду наличия естественных температурных шумов, которые имеют близкую амплитуду.

При измерении теплопотерь измеряемой величиной является температура. При определении погрешности измерения теплопотерь также рекомендуется исходить из погрешности температурных измерений с помощью тепловизора (практически на уровне 0,5 - 2,0°С).

Измерять сопротивление теплопередаче рекомендуется в лабораторных условиях (на установках типа климатической камеры). Использование методики определения сопротивления теплопередаче в ограждающих конструкциях функционирующих зданий и сооружений может приводить к недопустимым погрешностям вследствие: 1) неточного измерения истинной температуры из-за неточного учета коэффициента излучения соответствующих зон, и 2) неучета динамики температурного режима здания.

2.4. Операции при подготовке к выполнению измерений; выполнение измерений; обработка результатов измерения

Тепловизионную съемку производят согласно схеме, изображенной на Рис.2.2. Угол визирования ограждающей конструкции, как правило, не должен превышать ±20", хотя допускается панорамная съемка сооружений и под большими углами визирования. Объект измерений не требует специальной подготовки. Значение коэффициента излучения объекта контроля должно быть введено в качестве поправки с панели тепловизора (пирометра). ГТри обнаружении дефектов строительства точное задание коэффициента излучения не является обязательным; практически в большинстве задач тепловизионной диагностики в строительстве значение коэффициента излучения может быть установлено равным 0.95.

Объект контроля

Рис. 2.2. Общая схема тепловизионной диагностики зданий

Порядок выполнения тегшовизионной диагностики

• Ознакомиться с технологической документацией на объект контроля (схемой здания), особенностями архитектурных решений и системы отопления, толщиной и конструкцией стен, дверей и окон, сложившимся режимом теплообмена в сооружении, характером и сроком эксплуатации здания. В соответствии с целями диагностики наметить план осмотра, который может быть полным или частичным в зависимости от поставленных задач и условий контракта.

• Используя порядок измерения температуры с помощью тепловизора, произвести запись изображений внутренней и/или наружной поверхности ограждающей конструкции или ее фрагмента на дискету. При этом рекомендуется вначале произвести панорамирование объекта путем медленного перемещения тепловизора с последующей фиксацией зон интереса. При использовании пирометра следует произвести измерения на выбор и/или в точках, представляющих технологический интерес. Значение коэффициента излучения выбирают соответствующим материалу ограждающей конструкции.

• Для повышения надежности обнаружения мест протечки воздуха, а также для различения воздушных утечек и "тепловых мостиков", возможно применение воздушных насосов любого типа для слабого (около 50 Па) понижения давления внутри помещения. При этом на результирующем изображении контрастность представления "тепловых мостиков" останется прежней, а контрастность мест протечек воздуха усилится. Давление измеряют с помощью манометра, скорость воздушных потоков - с помощью термоанемометра. Влагосодержание, например, в панелях, измеряют с помощью диэлькометрического влагомера.

• Для повышения надежности обнаружения скрытых дефектов малого размера, например, мест отслоения штукатурки или облицовки, рекомендуется использовать режим нестационарного теплообмена, который может создаваться искусственно или в силу естественных причин.

Искусственный нестационарный режим создают путем применения нагревающих или охлаждающих устройств различного типа (ламп, фенов, вентиляторов и т.п.) при испытаниях ограниченных зон на ограждающих конструкциях. Естественный нестационарный теплообмен возникает в силу суточных колебаний температуры и солнечной радиации. При прочих равных условиях выявляемость внутренних дефектов улучшается с увеличением амплитуды (мощности) теплового воздействия на объект контроля.

• Результаты съемки обрабатывают либо по отдельным точкам, в которых температуру измеряют с помощью соответствующих опций тепловизора (пирометра), либо как тепловые изображения, применяя соответствующие программы обработки термограмм.

• Обработка результатов съемки может быть качественной или количественной. Качественный анализ применяют только к тепловым изображениям, на которых оператор-термографист устанавливает зоны тепловых аномалий и на основании своего опыта и дополнительных сведений об объекте контроля и амплитуде обнаруженной аномалии принимает решение о том, соответствует ли обнаруженная аномалия строительному или архитектурному дефекту. Количественный анализ применяется для определения теплопотерь и определения сопротивления теплопередаче. Количественный анализ может быть абсолютным и относительным. При абсолютном количественном анализе определяют абсолютные значения теплопотерь, например, в [Вт/м2] или [ГКал/год], а также сопротивления теплопередаче в [Км2/Вт]. При относительном количественном анализе определяют отношение теплопотерь или сопротивления теплопередаче в исследуемых зонах к соответствующим значениям в эталонных зонах.

Порядок определения теплолотерь из здания

• На основе проектной документации, или используя метод прямых измерений, определяют площадь ограждающей конструкции здания Я (возможно косвенное определение размеров здания по термограмме с использованием маркера известных размеров, в качестве которого может служить любой предмет с хорошим излучательным контрастом, например, металлическая метровая линейка).

• Определяют среднюю температуру ограждающих конструкций путем усреднения температуры на отдельных термограммах с учетом весовых вкладов отдельных зон, которые зависят от расстояния до объекта съемки при фиксации каждой термограммы, наличии в поле зрения посторонних объектов, например, неба. В дальнейшем тепловые потери могут рассчитываться для боковых ограждающих поверхностей, крыши и фундамента отдельно, а затем суммироваться. Если средние температуры по всем поверхностям близки, допускается их усреднение по всем поверхностям.

• Измерение средних температур крыши и фундамента не всегда возможно. В таких случаях определяют теплопотери только через боковые ограждающие конструкции, а полные теплопотери здания определяют исходя из рекомендуемых соотношений.

• Мощность теплопотерь £> с любой поверхности на момент съемки определяют по соотношению:

где ам - коэффициент наружной теплоотдачи, - температура наружного воздуха. Значение наружного коэффициента теплоотдачи определяют с

пугаИ оШ

(2.1)

помощью датчика теплового потока или используя рекомендации СНиП Н-3 79*.

При определении полных теплопотерь здания за некоторый период времени, например, за год, следует исходить из приведенной мощности теплопотерь Qmm, которая рассчитывается исходя из мощности теплопотерь и температурного напора АТ= -Т™ яга момент съемки с учетом нормативного температурного напора ¿7^ = 7^,-7^,. Здесь: Т'"^ -нормативная температура внутри помещений (см. требования СНиП 1Г-3-79*); - средняя зимняя температура для данной местности. Формула для расчета

А гтг

6— Г) ,

"опя ' ДТ ' (2-2)

Формула (2.2) справедлива для нормативного температурного напора, т.е. для такого, который бы имел место при поддержании теплового режима в здании согласно рекомендациям СНиП Г1-3-79*. Та же самая формула применима для расчета мощности теплопотерь при любом фактическом температурном яапоре ЛГ= Т"' - .

Окончательно, полные теплопотери из здания определяют из соотношения:

(2.3)

где 1 - длительность периода (при годовых нормативных оценках й=@тгтн 1 - градусо-сутки отопительного сезона; ем. СНиП Н-3-79*). • Величину относительных теплопотерь, в частности, в тех случаях, когда не удается определить коэффициент наружной теплоотдачи, определяют как

отношение температур наружной стенки в исследуемой и эталонной (реперной) зонах:

/ /О грунаИ / 7-ччаН

У' Уге/ - ]ои! 1 АиЛге/, (2.4)

где индекс "те/" обозначает эталонную зону.

Критерии качественной и количественной оценки результатов испытаний

Классификацию обнаруженных тепловых аномалий производит, как правило, оператор-термографист, отвечающий требованиям, изложенным выше. Наилучшие результаты достигаются при использовании результатов в виде цветных и черно-белых термограмм, анализ которых оператор производит на основе своего опыта и критериев, изложенных ниже. Предпочтительность использования цветного или черно-белого изображения зависит от объекта контроля, примененной палитры и опыта оператора. Черно-белые изображения имеют более естественный вид и наиболее пригодны, если обнаруживаемая аномалия имеет место на фоне множества "тепловых отпечатков", носящих шумовой характер. Черно-белые изображения также более иллюстративны, чем цветные, при наличии отраженной солнечной засветки. Цветное представление термограмм эффективно, если анализируемая тепловая аномалия отличается незначительно по температуре от окружающего температурного фона. Цветные термограммы также являются более наглядными при документировании результатов. Цветная палитра цветов каления является компромиссной между черно-белым и цветным представлением термограмм.

При качественной оценке тепловых аномалий (анализе термограмм дефектов) решающими факторами являются сведения о тепловом режиме

здания, опыт оператора и вид изображения соседних зон, на фоне которых обнаруживается данная аномалия. Общими правилами являются следующие:

• Инфракрасную съемку следует дополнять визуальным осмотром или фотографированием. Видимое и инфракрасное изображения, как правило, не совпадают по текстуре. Эффективным результатом диагностики является компьютерное совмещение видимого и теплового изображения одного итого же участка конструкции, или оконтуривание дефектных зон на видимом изображении после их обнаружения на термограммах (дефектные карты).

• Оценку тепловых аномалий следует производить как по величине температурного перепада в зоне аномалии, так и методом сравнения с эталонной зоной. Эталонная зона должна выбираться аналогичной контролируемой и находиться в тех же условиях теплообмена (располагаться вблизи исследуемой зоны).

• При прочих равных условиях осмотр внутри помещения более эффективен наружного осмотра, поскольку при этом температурный перепад в зоне одной и той же тепловой аномалии больше на внутренней поверхности объекта. Кроме того, ряд дефектов, выявляемых изнутри, например, дефектные швы между потолочными плитами и стенами, могут не обнаруживаться снаружи.

• Детальность осмотра ухудшается с увеличением расстояния до объекта съемки. При прочих равных условиях более эффективны тепловизоры с большим числом элементов разложения в кадре, например, тепловизоры, использующие матричные приемники излучения, которые имеют формат кадра близкий или превосходящий телевизионный.

» Поверхности, визируемые под большим углом, кажутся холоднее. При съемке под большим углом удаленные области кажутся холоднее ближних.

• При панорамной тепловизионной съемке многоэтаяздых зданий верхние этажи зачастую теплее нижних, что связано с естественной конвекцией, особенностями разводки системы отопления и/или углом визирования.

• Тепловые аномалии отображаются на термограммах в виде областей повышенной или пониженной температуры, которые соответствуют 1) архитектурным деталям; 2) неоднородности коэффициента излучения поверхности; 3) неоднородностям теплообмена с окружающей средой; 4) различного рода дефектам.

• При положительной разнице температур между внутренними помещениями и наружным воздухом "тепловые мостики" выглядят более холодными при осмотре изнутри и более теплыми при осмотре снаружи.

• При положительной разнице температур между внутренними помещениями и наружным воздухом места протечки воздуха выглядят более холодными при осмотре изнутри и более теплыми при осмотре снаружи, если давление в данном помещении выше наружного давления; при инверсии давления места протечки выглядят более холодными как на внутренних, так и на наружных поверхностях.

• Давление воздуха внутри помещений зависит от направления и скорости ветра, влияния вентиляционной системы объекта и температурного напора и может различаться в различных зонах. В многоэтажных зданиях давление внутреннего воздуха на нижних этажах зачастую выше, а на верхних этажах -ниже, чем давление наружного воздуха. Эффект изменения давления приводит к тому, что, например, некачественные межпанельные швы в одном и том же здании могут выглядеть на термограмме теплее или холоднее, чем соседние участки в зависимости от местоположения шва по высоте здания. При этом решающим фактором отнесения шва к дефектным или бездефектным является сам факт наличия температурного контраста по сравнению с соседними зонами независимо от его знака.

• Неокрашенные металлические элементы зданий и сооружений выглядят, как правило, более холодными, чем они есть на самом деле, за исключением ситуаций, когда есть интенсивная внешняя подсветка.

• При анализе влагосодержания строительных конструкций, в особенности чердачных помещений, следует установить, проникает ли влага

снаружи или изнутри, для чего необходимо знать особенности возведения и эксплуатации здания.

• Горячие радиаторы, расположенные внутри помещений, создают отчетливые области повышенной температуры на наружных поверхностях, что может маскировать искомые тепловые аномалии.

• Существенные аномалии в области окон, напоминающие на термограмме изображение факела, как правило, свидетельствуют об открытых форточках, рамах или окнах.

• Изображения тепловых аномалий с резкими границами зачастую соответствуют поверхностным эффектам гота неравномерному солнечному нагреву, что легко идентифицируется при визуальном осмотре. В целом, тепловые аномалии в зоне протечек воздуха или воды имеют более резкие границы, чем тепловые аномалии над скрытыми внутренними дефектами.

• Изображения солнечных бликов перемещаются при перемещении оператора относительно объекта контроля, тогда как температурные эффекты не изменяют существенно вида теплового поля при изменении ракурса съемки.

• При анализе тепловых аномалий и при измерении сопротивления теплопередаче необходимо учитывать разброс температур в отдельных помещениях здания и сооружения (температурный напор).

• При диагностике межпанельных швов дополнительно к эффекту изменения давления внутреннего воздуха, на вид термограммы существенное влияние оказывает тип дефекта: простое изменение теплового сопротивления при герметичном шве, или, что бывает чаще, нарушение герметичности шва, ведущее либо к утечкам теплого воздуха из помещения наружу (при повышенном давлении внутри), либо к натеканию холодного воздуха извне (при пониженном давлении внутри).

Количественная оценка тепловых аномалий производится с целью оценки степени их опасности для нормального функционирования здания. При этом значения средних температур пола, стен и потолка внутри помещений должны соответствовать нормам СНиП 11-3-79*. Степень опасности обнаруженных аномалий оценивают по:

• дополнительным потерям тепла через дефект (расчет производят согласно методике по п.б.б);

« несоответствию экспериментальных значений сопротивления

теплопередаче требованиям СНиП 1Г-3-79*;

• возможным последствиям разрушения ограждающей конструкции вследствие дефекта (сдвиг точки росы внутрь стены, коррозия материала стены, повышение влагопроницаемости и снижение за счет этого качества тепловой защиты и т.п.);

• дискомфорту внутри помещения.

Соотношения между степенью опасности аномалий и экспериментально наблюдаемыми температурными перепадами в местах тепловых аномалий не регламентированы ввиду отсутствия необходимых статистических сведений. Оценки этих значений сделаны в настоящей работе. Сами амплитуды температурных перепадов должны нормироваться на температурные напоры, т.е. понижение температуры в зоне межпанельного шва на I "С при температуре наружного воздуха 0°С свидетельствует о значительно более серьезном дефекте, чем такой же перепад, обнаруженный при температуре наружного воздуха -20 °С.

Если степень дефектности оценивается по измеряемым температурным перепадам в зоне аномалии А Г, то рекомендуется к серьезным дефектам относить такие, которые создают относительные перепады температуры на наружных поверхностях АТ/(Т^ ~ 7^,)более 6% при отсутствии протечек

воздуха и более 12% при наличии протечек воздуха. Соответственно при внутреннем осмотре эти критерии составляют более 15% "С и 24%.

Если степень дефектности оценивается по сопротивлению теплопередаче, то серьезными признаются дефекты, создающие локальные понижения сопротивления теплопередаче более, чем на 15%.

Содержание протокола:

• наименование организации, производящей съемку (фамилии операторов, их квалификация и т.д.);

• использованная аппаратура (номера сертификатов качества и т.д.);

• описание конструкции здания;

• типы использованных материалов;

• географическая ориентация здания и его микрометеорология;

• время и дата съемки;

• температура наружного воздуха, ее максимальные и минимальные значения за последние 24 ч;

• общая информация о солнечном излучении за последние 24 ч;

• осадки, скорость и направление ветра;

• температура внутри помещений и температурный напор;

• разница давления воздуха на стороне, направленной к ветру, и с подветренной стороны для каждого этажа;

• другие факторы, влияющие на измерения (например, быстрые климатические изменения);

• справки по условиям измерений;

• эскизы здания и привязка к ним термограмм (или схемы здания с отмеченными дефектами);

• термограммы (панорамные и отдельных участков);

• качественный анализ термограмм;

• количественный анализ термограмм (расчет теплопотерь, сопротивления теплопередаче);

• список обнаруженных строительных дефектов по степени их опасности с учетом принятых критериев дефектности;

• результаты дополнительных исследований; » выводы и рекомендации.

2.5. Требования к квалификации операторов

Тепловизионная диагностика ограждающих конструкций зданий и сооружений должна проводиться группой не менее двух операторов, один из которых должен быть аттестован по схеме Госстандарта РФ и Национального Аттестационного Комитета России в области неразрушающего контроля и технической диагностике по Н-му или Ш-му уровню. Один из операторов является руководителем работ на месте.

Организация, выполняющая тепяовизионную диагностику, должна иметь лицензию соответствующего органа государственного надзора (Госстроя РФ) на проведение конкретных видов тепловизионного обследования.

2.6. Выводы по Главе 2

• Предложена методика выполнения тепловизионной диагностики ограждающих конструкций строительных зданий и сооружений, утвержденная в 1997 г. Томским Центром сертификации, метрологии и стандартизации.

• В методике рекомендованы как качественные, так и количественные критерии расшифровки температурных сигналов в местах предполагаемых дефектов. Проанализировано влияние наружных

метеоусловий, а также условий внутри помещений. Сформулированы требования к тепловизионной аппаратуре.

Глава 3. Экспериментальная ИК термография строительных зданий и сооружений

3.1. Использованная аппаратура

В экспериментальных исследованиях по тематике диссертации использовалась ИК аппаратура Томского Политехнического Университета производства фирмы FSI-AGEMA Infrared Systems: 1) тепловизоры «Thermovision-470» и "Thermovision-570"; 2) пирометры "Thermopoint-6, 30, 62, 90". В качестве дополнительной аппаратуры применяли контактный датчик теплового потока производства НИИ интроскопии.

3.2. Проверка теоретических положений

Теоретические положения диссертации, изложенные в Главе 1, проверялись, в основном, в ходе практических съемок зданий и сооружений, выполненных в рамках соответствующих договоров. Наибольший объем инспекций пришелся на объекта в т.Северске Томской области (работы велись по плану, согласованному с городской администрацией). Возможности прямого измерения сопротивления теплопередаче образцов строительных материалов исследовали ва установке НИИ Интроскопии (работы проводились совместно с И. А. Аношкиным, и их результаты не включены в настоящую диссертацию).

Обнаружение отслоений под штукатуркой зданий

В отличие от известных приложений строительной термографии, расслоения между штукатуркой и поддерживающей стеной, являются

«пассивными» дефектами, обнаружение которых требует внешней тепловой стимуляции. Работы в данном направлении (контроль качества фресок) проводились в течение ряда последних лет коллективом НИИ Интроскопии совместно с итальянскими исследователями. Результаты данных исследований содержатся в диссертации Д.Г.Куртенкова (Томский Политехнический Университет, 1998). В указанных работах, в силу наличия существенной поверхностной помехи, обусловленной самой фреской, акцент сделан на тепловую томографию и дефектом етрию. Мы применили ту же самую идеологию испытаний для типовых зданий, в которых, в силу достаточно равномерного коэффициента излучения штукатурки, уровень помех существенно ниже, чем в случае фресок.

В 1998 г. совместно с ремонтно-строительной фирмой «Эдельвейс» выполнена инспекция сценической коробки Новосибирского Театра Оперы и Балета. Фирма «Эдельвейс» выполняла ремонт одной из стен, где штукатурка осыпалась на больших площадях. В то же время, на других стенах дефекты визуально не обнаруживались. Задачей тепловизионного обследования было установление качества адгезии штукатурки к стене.

Съемку производили дважды в течение дня. Первую съемку согласно методическим указаниям выполнили в предрассветные часы. При этом температурное поле штукатурки было однородным в силу относительной стационарности теплового поля. Согласно ранее опубликованным работам по обнаружению скрытых в грунте мин, солнечная стимуляция должна обеспечивать максимальные температурные сигналы приблизительно между 14-00 и 16-00. Значения предполагаемых температурных сигналов от дефектов различного типа в здании сценической коробки были определены с помощью программы «Термо.Калък» для нескольких моделей дефектов.

Рассчитано, что ухудшение теплозащиты стены за счет оседания шлака н увлажнения пенобетона должно создавать сигналы до 0.8-1,0°С в утреннее время. Изолированные от наружного воздуха отслоения штукатурки должны создавать сигналы порядка 0.3°С в утреннее время и до 0.8°С в дневное время

Соединенные с наружным воздухом отслоения штукатурки (за счет трещин) должны создавать сигналы порядка 3"С. Согласно теоретическим рекомендациям, вторую съемку проводили в 15-00.

Пример результатов показан на Рис.3.1 (отметим, что оригинальные изображения являются цветными, я их черно-белое воспроизведение может скрадывать незначительные температурные аномалии). Инфракрасное изображение стены в дневное время отчетливо показало две зоны обширных расслоений, которые выглядели по температуре так же, как и участки оголенного кирпича.

а) б)

Рис.3.1. Результаты тепловизионной диагностики восточного фасада Новосибирского Театра Оперы и Балета:

а - видимое изображение и схема обнаруженных отслоений штукатурки; б - дневная термограмма

Температурный сигнал над расслоением достигал 3"С, что соответствует дефектам, соединенным с окружающим воздухом. Данные зоны выделены на Рис.3.1а. Регулярная структура на термограмме Рис.3.1 б соответствует бетонному каркасу здания, «просвечивающему» сквозь наружную стену. Величина температурного сигнала (1°С) также находилась в хорошем согласии с расчетными данными.

Диагностика качества швов

На Рис.3.2 изображен межпанельный шов типового панельного дома (г.Северск) до (Рис,3.2а) и после ремонта (Рис.3.2б). Температурный сигнал в зоне данного шва составлял около 1°С при нормативном температурном напоре, что соответствовало 9% уменьшению теплового сопротивления.

Визуально данный шов выглядел слегка теплее панелей. Согласно

предложенной нами методике, данный шов является слабодефекгаым, что было подтверждено после его вскрытия. Повторная съемка, произведенная через неделю после ремонта приблизительно в тех же температурных условиях, показала

существенное улучшение качества шва, который из-за наличия валика выглядел даже холоднее соседней панели (Рис.3.26).

а)

б)

Рис.3.2. Термограммы межпанельных швов до ремонта (а) и после ремонта (б)

Дефектные панели

Низкое качество панелей является распространенной причиной жалоб жильцов. В редких случаях дефектные панели могут поставляться изготовителем, однако чаще всего происходит оседание утеплителя в панелях со значительным сроком службы. С помощью ИК термографии легко установить наличие таких панелей в здании, определить величину теплопотерь и эффективность последующих ремонтных операций. С помощью программы «ТермоКальк» было предсказано, что отсутствие утеплителя в типовой панели должно приводить к повышению наружной температуры до 2°С при нормированном для данной местности температурном напоре. Эта величина легла в основу предложенной нами методики.

!я - юоозээаооо

¿■3.03

На Рис.3.3 показана резко дефектная панель в одном из домов г.Северска с повышением температуры около 1.8°С. В жиакомхоз города поступали жалобы жильцов из соответствующей квартиры на низкую температуру в комнате. В подобных случаях рекомендуется утеплить внутреннюю стену подручными способами или произвести общее утепление здания в ходе плановых мероприятий.

Рис. 3.3. Термограмма дефектной панели

3.3. Составление дефектных карт здания

Практическое внедрение метода ИК термографию в строительную диагностику, примеры которого описаны выше, позволило подтвердить величины температурных аномалий в зонах дефектов различного типа, предсказанные теорией. Конечным результатом осмотра здания, на наш взгляд, должна явиться карта дефектности, составляемая оператором на основе компьютерного анализа результатов съемки и собственного опыта. По нашему опыту, для инспекции строительного сооружения необходимо 40-60 термограмм, записываемых е помощью встроенных в тепловизор дисковода гибкого диска или PCI карты. Пример итоговой термограммы панельного здания показан на Рис.3.4. Дефектные зоны отмечены оператором на основе анализа каждой термограммы и выделения участков с сигналами, соответствующими дефектам. Карты такого типа являются необходимым документом при проведении ремонтных работ, например, силами альпинистов.

Рис.3.4. Панорамная термограмма и карта дефектов панельного дома

3.4. Выводы по Главе 3

• Величины температурных сигналов в местах типичных дефектов строительных зданий и сооружений, рассчитанные в Главе 1 по предложенным математическим моделям, проверены экспериментально при диагностике большого числа зданий, проводившейся в течение ряда лет в гг.Северске, Томске, Новосибирске, Сургуте, Омске с помощью тепловизоров "ТЪегтоу1зюл-470" и "Т11егтоушоп-570". Удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных позволило рекомендовать методику тепловизионной диагностики, описанную в Главе 3, для практических обследований.

• На основании опыта обследований, накопленного в результате выполнения данной работы, распоряжением главы администрации г.Северска метод тепловизионной диагностики признан обязательным при госприемке нового жилья. Экономический эффект от внедрения тепловизионной диагностики в г.Северске, начиная с 1990 г., составил 440 тыс.руб. в ценах 1998 г.

Выводы по диссертации

• Отечественный опыт, накопленный в области строительный ИК термограф™, обобщен и дополнен результатами теоретического анализа и практического внедрения современной тепловизионной техники.

• Предложены модели основных типов дефектов в ограждающих конструкциях строительных зданий и сооружений: внутренние полости, оседание утеплителя, износ материала, увлажнение, наличие скрытых конструктивных элементов, места протечек воздуха. Для несквозных дефектов предложена численная модель на базе ранее известной программы «ТермоКальк» и рассчитаны сигналы от типовых дефектов.

Для сквозных дефектов предложена трехшажная методика расчет? температурных сигналов в зависимости от перепада давления и величинь воздухопроницаемости.

• Полученные значения температурных сигналов в местах пониженно» теплозащиты и протечек воздуха предложены в качестве критерии дефектности при составлении карт дефектности зданий, которые являютс; оптимальным документом для заказчиков.

• Проанализирована точность расчета температуры в зонах дефектов < помощью численных моделей и даны рекомендации по выбор] параметров пространственно-временной сетки.

• Выполнено значительное число практических съемок зданий $ сооружений по прямым договорам с жилищно-коммунальными и другим! организациями. Основное внедрение метода ИК термографии состоял ос] в г. Северске Томской области, где распоряжением главы администращп все вновь сдаваемые жилые здания подлежат тепловизионной инспекцш перед подписанием государственного акта приемки. Экономически! эффект от внедрения тепловизионной диагностики в г. Северске, начина с 1990 г., составил 440 тыс.руб. в ценах 1998 г.

• Разработана «Методика тепловизионной диагностики ограждающк конструкций строительных зданий и сооружений», утвержденная в 1997 г Томским центром стандартизации, метрологии и сертификации. Основны положения данной методики использованы в указаниях и тепловиз ионному осмотру зданий, разработанным НИИ Мосегроя ; переданным для внедрения в Департамент строительства г.Москвы.

• Результаты работы изложены в 7-ми публикациях.

Публикации по работе

1. Vavilov V, Anoshkin I.A., Kourtenkov D.G., Trofimov C.D., T.Kauppinen. Quantitative Evaluation of Building Thermal Performance by IR Thermography Inspection Data.- Гп: Proc. SPIE «Thermosense-XIX», Voi.3056, 1997, c.71-77.

2. Вавилов В.П., Ширяев B.B., Трофимов К.Д., Аношкин H.A. Or инфракрасного мониторинга к сертификации теплозащитных свойств строительных панелей и сооружений в целом. - Тез. Докл. Конференции по сертификации в промышленности, г. Томск, Областная Администрация, 12-13 сентября 1997 г., с.17.

3. Вавилов В.П., Вакс Л.П., Слесаренко О.Г., Аношкин И.А., Ширяев ВВ., Трофимов К.Д., Соколович А.Г. Опыт работы передвижной диагностической лаборатории НИИ интроскопии в области строительной и медицинской НК термографии. -Тез. Докл. XVII Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами", г. Екатеринбург, 15-16 апреля 1997 г., с.67.

4. .В.П.Вавилов, А.И.Иванов, Д.Г.Куртенков, В.В.Ширяев, К.Д.Трофимов. Внедрение аппаратно-программных средств ИК термографии в Томском НИИ интроскопии: опыт международного сотрудничества. - Тез. Докл. Международн. Конференции «Оптические, тепловые и радиоволновые методы контроля», 1997, г.Череповец, 17-20 сентября, с.26-27.

5. В.ПВавилов, К.Д.Трофимов, В.В.Ширяев, Д.Г.Куртенков. Опыт применения ИК термографии для диагностики предаварийных ситуаций в нефтегазовой промышленности. - Труды юбилейной конференции «Томск-Газ», 1998 г. (в печати).-5 с.

6. В.П.Вавилов, А.И.Иванов, В.В.Ширяев, В.А.Пупшых, Д.Г.Куртенков, К.Д.Трофимов, И.А.Аношкин, О.Г.Слесаренко. Обзор исследований в области теплового неразрушающего контроля в Томском НИИ Интроскопии,- В сб. «Неразрушающий контроль и диагностика», ТПУ, г.Томск, 1998, с.13-18.

7. К.Д.Трофимов, ЕШ.Вавилов, В.В.Ширяев, А.Г.Климов. Методике тепловизиоиной диагностики ограждающих конструкций строительных зданш и сооружений. - Документ, утв. 21 апреля 1997 г. Томским центром стандартизации, метрологии и сертификации.-22 с.

8. В.К.Дюпин, О.М.Окороков, К.Д.Трофимов, В.А.Фаустов. Оконные блок/Патент РФ № 21142б9.-Бюлл.изобретений № 18,27.06.98.

Справочная литература

1. ASTM, "Standard Practice for the location of wet insulation in roofing systems using infrared imaging".

2. CI 153-90, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1990.

3. ISO. International Standard 7730. "Moderate thermal environments -determinations of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort." Geneva, International Standard Organization, 1984.

4. ROOFER U.S.Army Program; ASTM Designation: E 1186-87, "Standard Practices for Air Leakage Site Detection in Building Envelopes", November 1987.

5. fnfraspection Institute, "Guidelines for Specifying and Performing Infrared Inspections", First Edition, 1988.

6. ASTM El 149, "Definitions of Terms Relating to NDT by Infrared Thermography", Annual Book of ASTM Standards, Vol.03.03, ASTM, Philadelphia, 1989.

7. Draft Standard for Certification of Infrared Thermographic Personnel-Knowledge Requirements for a Thermographer, Level I, Public Works Canada, Architectural Science Division, Ottawa, 1981.

8. СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».

9. ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций".

Ю.Международный стандарт ISO 6781-83 "Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод".

11 .Ведомственные строительные нормы по теплотехническим обследованиям наружных ограждающих конструкций зданий с применением малогабаритных тепловизоров ВСН 43-96.-Утв. Управлением развития генплана г.Москвы 1 июля 1996 г. -20 с.

12.Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве.-М.: Стройиздат, 1987.-238 с.

13.Куртенков Д.Г. Метод и программное обеспечение тепловой дефекгометрии и томографии при контроле композиционных и слоистых структур Кандидатская диссертация, Томский Политехнический Университет, 1998,-

154с